钻探工艺学课程习题-2011Word格式.doc

钻探工艺学课程习题-2011Word格式.doc

《钻探工艺学课程习题-2011Word格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钻探工艺学课程习题-2011Word格式.doc（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

5.试述岩石硬度与岩石强度的区别和联系，影响岩石硬度的因素有哪些？

区别与联系

（1）岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系；

（2）抗压强度是物体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则是固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。

（3）硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。

影响岩石硬度的因素

（1）岩石中坚硬矿物愈多、胶结物的硬度越大、岩石的颗粒越细、结构越致密，岩石的硬度越大。

而孔隙度高、密度低、裂隙发育的岩石硬度将会降低。

（2）岩石的硬度具有明显的各向异性。

层理对岩石硬度的影响与对岩石强度的影响相反。

垂直于层理方向，硬度值最小；

平行于层理方向，硬度最大；

两者之间可相差1.05～1.8倍。

（3）在各向均匀压力的条件下，岩石的硬度增加。

在常压下硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。

（4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。

但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。

加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。

6.根据岩石在外载作用下的变形特征，图示说明岩石破坏的形式

（1）脆性破坏：

破坏前不存在塑性变形。

呈脆性破坏的岩石称为脆性岩石；

（2）塑性破坏：

破坏前发生大量的塑性变形。

呈塑性破坏的岩石称为塑性岩石；

（3）塑脆性破坏：

先经历弹性变形，然后塑性变形，最终导致破坏。

呈塑脆性破坏的岩石称为塑脆性岩石。

7.试述岩石的研磨性及其影响岩石研磨性的因素，岩石对切削工具的磨损有哪些形式？

岩石研磨性：

岩石磨损工具的能力。

岩石磨损形式

（1）摩擦磨损：

岩石与切削工具相对滑动而产生的磨损。

与所钻岩石的研磨性、切削工具的耐磨性、钻进规程参数有关；

（2）磨粒磨损：

孔底破碎岩屑对切削工具的磨损。

与岩屑的硬度和研磨性、岩屑的数量（钻进速度）、钻孔冲洗的程度等有关。

在金刚石钻进中这种磨损形式起着重要的作用，因为岩粉能磨蚀金刚石钻头的胎体，帮助孕镶金刚石出刃。

影响岩石研磨性的因素

（1）岩石颗粒的硬度越大，研磨性也越强，石英岩具有强研磨性

（2）岩石胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越强。

（3）岩石颗粒形状越尖锐、颗粒尺寸越大，岩石的研磨性越强。

（4）岩石表面粗糙，局部接触易产生应力集中，研磨性增强

（5）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，非均质和多矿物的岩石（如花岗岩）研磨性较强。

岩石中较软的矿物（云母，长石）首先被破碎下来，使岩石表面变粗糙，同时石英颗粒出露，从而增强了研磨能力。

（6）介质的影响，湿润和含水的岩石硬度和研磨性都会降低

8.何谓岩石的可钻性？

划分岩石的可钻性有何意义。

岩石可钻性的概念

岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。

在钻探生产中通常用机械钻速作为衡量岩石可钻性的指标，单位是m／h。

岩石的可钻性及可钻性分级的意义

可钻性及可钻性分级是决定钻进效率的基本因素，也是确定岩石破碎的难易程度的综合指标。

对钻探生产非常重要，它是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据，也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。

9.简述碎岩刃具对岩石破碎的作用方式及基本特征，硬质合金钻进、冲击钻进、冲击回转钻进、分属哪一类？

切削一剪切型:

钻头碎岩刃具以速度vθ向前移动而切削（剪切）岩石。

冲击型:

冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击动载

冲击—剪切型:

钻头刃具不仅以Pz和Pθ作用于岩石，而且还有使钻头向前回转的移动速度vθ和冲锤对齿刃的冲击速度vz或牙轮滚动时齿刃向下冲击的速度vω。

10.根据切削具对岩石的作用力不同，简述岩石的破碎形式及其主要特征。

表面破碎

切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度，切削具不能压入岩石。

切削具移动时，将研磨孔底岩石，岩石破碎是由接触摩擦功引起的，研磨的岩石颗粒很小，钻进速度低。

这种变形破碎方式称为岩石的表面研磨，这个区称为表面破碎区。

疲劳破碎

切削具上的轴向载荷增加，但接触压力仍小于岩石硬度，可使岩石晶间联系破坏，岩石结构间缺陷发展，特别是孔底受多次加载产生的疲劳裂隙更加发展，于是众多裂隙交错，仍可产生较粗岩粒的分离，这种变形破碎方式称为疲劳破碎，这个区称为疲劳破碎区

体积破碎

切削具上的载荷继续增加，接触压力大于或等于岩石硬度，切削具可有效地切入岩石，结果是：

切削具在孔底移动时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑，这种变形破坏方式称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。

体积破碎时，会分离出大块岩石，破碎效果好。

11.以平底圆柱形压头或球形压头为例，试述压入岩石的应力特征及碎岩过程。

平底压模压入时的岩石变形破碎过程

1、加载时，第一极值带产生环形裂纹；

2、开始时，ac方向裂隙的伸展比ao快；

3、远离自由面，ac方向的伸展速度迅速减慢；

4、多数情况下，裂隙在o点相交比到达c点晚；

5、在c点产生指向自由面、o点的裂隙；

6、c点迅速到达自由面并与从o点来的裂隙相遇；

7、产生aob主压力体和mon剪切体；

8、压模阻力急剧降低，压模下落；

9、aob体破碎，部分碎岩压出，部分压在压头下面。

10、继续施载，碎岩石在压模下面被压实，

并在剪切体内产生弹性变形；

11、裂隙沿a′c′和a′o′方向向深部伸展；

12、在比第一种情况下大得多的外载作用下，

裂隙把a′o′b′体和m′c′o′c′n′体分离开来；

13、a′o′b′体和m′c′o′c′n′体中的岩石将被压碎，

部分碎岩压出，部分被压在压模的下面；

14、继续施加外载，上述现象将重复进行。

球状切削具压入时的岩石变形破碎过程

1、开始时，切削具与岩石接触的是一个点；

2、外载增加，切削具和岩石产生弹性变形，

接触面开始增大；

3、接触面中心的正应力最大，首先出现裂隙；

4、随外载增加，接触面增大，产生与原有裂

隙平行的新裂隙系；

5、外载再增加，触面增大，新裂隙向深处伸展；

6、球状切削具总的弹性变形不与外载成正比例。

外载继续增加时，弹变总值减小，应力增大，

裂隙伸展的深度增大；

7、以后的破碎过程与平底压模时类似。

球状切削具与平底压模压人岩石时的区别在于：

1、裂隙对主压力体aob内的岩石进行了初步破坏；

2、破碎的岩石再次压在切削具下面的较少；

3、球状切削具压入岩石时，可以分为2种破碎形式：

（1）形成相交的裂隙系对岩石进行破碎；

（2）剪切体mcocn的分离。

12.试述硬质合金钻进的基本概念与特点，钻探用硬质合金有何特性？

硬质合金钻进的基本概念

利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩的工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。

硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法，它用于软岩层及中硬岩层的钻进（1—4级软的沉积岩、中硬的5—7级及部分8级岩浆岩和变质岩）。

硬质合金钻进的特点

（1）切削具固定在钻头体上，它可以钻进任意倾角的钻孔。

不受孔向、孔径和孔深的限制；

（2）钻出的孔壁及岩心直径比较一致，表面比较光滑，有利于安全钻进和保证取心；

（3）可以根据不同的岩性和要求，合理地设计和选择钻头的结构，以便在不同的岩层中取得较优的效果；

（4）钻进中操作简便，容易掌握。

（5）钻孔质量容易保证，岩心采取率较高，孔斜较小。

硬质合金的特性

（1）钻探用的钨—钴合金：

主要是碳化钨（WC）—钴（Co）系硬质合金。

它以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉为粘结剂，用粉末冶金方法制成。

这类硬质合金称为YG类硬质合金。

（2）牌号的意义：

合金牌号如YG8c的意义为：

YG—钨-钴系硬质合金；

8—钴的百分含量为8%；

c（x）—粗（细）粒合金。

（3）硬质合金的特性：

合金中含钴量增加，相对密度下降，硬度、耐磨性降低，而抗弯强度、冲击韧性增高；

WC的颗粒越细，硬度越大、耐磨性越强；

反之，则抗弯强度、韧性增强。

13.试述硬质合金钻进的碎岩机理及其在塑性岩石和弹-塑性岩石碎岩过程

硬合金钻进的过程，实际上是切削具在轴向力的作用下，压入岩石；

在回转水平力的作用下，沿孔底切削碎岩；

在轴向力和水平力的共同作用下，孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。

根据所钻岩石的不同，其破碎方式也不相同，可分为塑性岩石的碎岩和弹-塑性岩石的碎岩两种情况。

塑性岩石的碎岩情况切入岩石的过程

钻头上切削具切入岩石的必要条件是：

切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于或至少等于岩石的抗压入硬度。

回转切削过程

切削具切入岩石并回转时，在水平力Px作用下，压迫其前面的岩石，使之发生塑性变形并不断地向自由面滑移，称为切削作用。

在切屑的裂隙尚未发展到全段面断裂之前，下一部分切屑又发生滑移。

因此，其切屑应该是连续的、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽是相同的。

实际上，由于钻具的振动、冲洗液的冲刷，切削的岩屑是碎裂成岩粉被冲洗液带至地表；

在Py和Px共同作用下的切入比Py单独作用下切入更容易，也切入的更深

弹塑性岩石的孔底破碎过程

弹塑性岩石是硬质合金钻头的主要钻进对象。

理论上，按切削具的切入条件，需要很大的轴向力，而实际的Py力要小得多（1/6~1/3），究其原因，主要是切削具并非以静压入的方式破岩，而是在双向力的同时作用下破碎岩石。

其碎岩的显著特点则是在切削具的作用下以跳跃式的剪切

破碎为主。

岩石破碎大体分三个阶段：

1、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。

2、刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。

继续前移产生若干次小剪切。

3、当刃前接触面较大时，前进受阻。

继续挤压刃前岩石（部分被压成粉状）；

同时，Px力急剧增大，当Px力达到极限值时，产生大的剪切破碎，然后Px力突然减小。

切削具不断向前推进，重复着压碎、小剪切、大剪切的循环过程。

切槽断面近似于梯形。

切槽宽度有规律地变化，B1为大剪切时的切槽宽。

孔底的破碎过程沿着倾角为γ的螺旋面进行。

14.何谓硬质合金钻头的出刃？

其有何作用？

钻进中如何选择确定出刃？

切削具出刃

镶焊在钻头体上的切削具必须突出钻头体一定的量，此突出部分称为切削具的出刃。

切削具出刃有：

内出刃、外出刃和底出刃。

内、外出刃

作用：

保证钻头体与孔壁、岩心之间有一定的间隙，避免钻头体摩擦孔壁和岩心，为循环冲洗提供通道。

设置不合理的危害：

出刃过大，合金抗外力的能力降低、碎岩断面和功耗增大，钻孔易弯曲。

出刃过小，流阻增大，容易堵塞岩心、冲毁孔壁、漂浮钻具。

合理选择：

主要取决于岩层，一般为1~3mm。

岩层较硬、孔壁稳固、钻速较低，取小值；

反之，取较大的值。

在遇水膨胀或有大量岩粉的软地层钻进时，必须加焊肋骨，增大内、外环状空间，一般取内、外出刃3～6mm，底出刃4～5mm。

底出刃

保证切削具能顺利地切入岩石，并为冲洗液冷却切削具和排除孔底岩粉提供通道。

底出刃大小：

由切入深度和过水间隙两部分组成。

H值过大，在硬岩和裂隙性岩层中容易造成崩刃，应补强。

一般为2~5mm。

15.硬质合金钻头底出刃有哪几种形式？

底出刃有平底式、阶梯式。

阶梯式可增加切削具破碎岩石的自由面，容易产生体积破碎。

16.试述硬质合金切削具的镶焊方式及其特点？

如何根据岩石特征选择？

三种镶焊方式：

正斜镶，直镶，负斜镶。

（1）刃角β的选择：

①β=45°

～50°

，用于Ⅰ～Ⅳ级非裂隙性岩石；

②β=65°

，用于Ⅴ～Ⅶ级岩石；

③β=90°

的小切削具，用于自磨式钻头。

（2）切削角α的选择：

根据所钻岩性来选择。

①钻进软岩，选择切削性能较好的正斜镶，α=70°

～80°

；

②脆性和较硬岩石，切削具主要按压碎和剪切作用碎岩，切

削具易磨钝，应选择入岩较锋利的直镶、负斜镶，α=90°

～105°

17.硬质合金钻头的结构要素有哪些？

钻头体、切削具出刃、切削具的镶焊角度、切削具在钻头体上的数目及布置方式等。

18.何谓金刚石钻进？

其有何特点？

金刚石钻进的概念

金刚石钻进是一种比较先进的钻进方法。

它是将金刚石材料采用一定的方法包裹于基体（胎体）中，并与钻头钢体固结为一体形成金刚石钻头，用于回转碎岩的一种方法。

金刚石钻进的特点

（1）主要用于硬岩和坚硬岩石，也可钻进软-中硬岩石；

（2）钻进效率高；

（3）钻孔质量好；

（4）施工劳动强度比较轻；

（5）钻探成本比较低，因此得到越来越广泛的应用。

19.金刚石钻头有哪些种类？

金刚石钻头的种类有：

天然、人造；

电镀、热压；

单管、双管；

绳索取心、定向钻进；

取心、全面；

矿山、油

井等等。

根据碎岩特点，可分为表镶金刚石钻头、孕镶金刚石钻头和聚晶烧结体（包括复合片）金刚石钻头。

20.试述金刚石钻进的孔底碎岩过程

表镶钻头（钻头胎体上的金刚石颗粒较大）与孕镶钻头（胎体上的金刚石颗粒较小）的碎岩机理有着显著的不同。

国内外研究表明，金刚石钻进的孔底碎岩过程存在有以

下几种机理

1、压碎剪切与疲劳破碎

2、犁掘作用原理

3、多刃研磨切削

4、微动载碎岩

1、压碎剪切与疲劳破碎

表镶钻头上的单粒金刚石在Py、Px联合作用下，类似球体压入岩石（弹脆性岩石）产生大、小剪切体破碎，切槽宽度＞金刚石颗粒直径。

当金刚石被磨钝时，在Py、Px的作用下，产生压缩应变和拉伸应，岩石中出现一些微小的裂纹，裂纹的数量及深度取决于轴载和转速。

孔底某一点经多次重复加载，产生破碎，碎岩过程具有疲劳破碎的性质。

2、犁掘作用原理（塑性破碎）

钻进时，孔底岩石是在三向应力状态下（围岩压力、液柱压力和轴向载荷），随围压的增加，岩石的塑性增大。

当以塑性破碎为主时，将发生明显的犁掘作用过程，即：

钻头唇面上出露的金刚石，在轴向压力作用下侵入岩石表面，在切向力作用下沿横向滑移时，滑移前方的压缩应力区产生张应力滑移区，在滑移区内产生向前、向左、向右、向下的裂纹，当应力增加时，裂纹扩展。

应力超过岩石强度时，首先在金刚石的正前方出现沟槽形的破碎，在其两侧也将沿薄弱面产生破碎。

3、多刃研磨切削

孕镶钻头金刚石颗粒小，且埋藏于胎体之中，钻进中必须自磨出刃才能维持钻速恒定而不衰减。

其碎岩机理类似于砂轮磨削工件。

以唇面上多而小的硬质点（金刚石）对加工件（孔底岩石）进行刻划、磨削，随着硬质点的逐渐磨损和粘结胎体的不断磨耗，新的硬质点又裸露出来参加工作。

当唇面金刚石出露较好时，在磨削的同时，也存在孔底的微剪切和微压碎作用。

如果孕镶金刚石钻头的胎体性能与所钻岩石不适应或没有足够的钻压，胎体不能超前磨耗，钻进中表现为钻头“打滑”，钻速迅速下降。

4、微动载碎岩

有些学者认为，无论表镶或孕镶钻头在孔底的碎岩过程中，孔底还存在着微动载的碎岩过程。

在轴向压力（钻压）下，钻头被紧压在孔底岩石表面，钻具的回转振动和钻柱弹性变形对孔底钻压的加强或减弱、泵送流体的压力脉动，对孔底岩石的破碎起到了积极的促进作用。

21.金刚石钻头的胎体有何作用？

对其性能有何要求？

金刚石钻头胎体用于包裹金刚石，并与钻头钢体牢固连接。

对钻头胎体性能的要求是：

1、胎体能牢固地包镶金刚石。

2、胎体应有足够的强度和抗冲击性能。

3、胎体的硬度、耐磨性要与所钻岩石的硬度、研磨性相适应。

孕镶钻头对这些性能要求更加严格。

22.什么是孕镶金刚石钻头胎体的浓度？

如何选择？

孕镶钻头使用浓度来表示金刚石在胎体中的含量，钻头胎体工作层中金刚石体积的百分含量。

“400%浓度制”。

孕镶钻头中的金刚石浓度一般为70~120%，浓度过高，端面金刚石与岩石的接触面积增大，单粒金刚石上的压力较小，压入岩石的深度减小。

当小于岩石抗压强度时，其为表面破碎和疲劳破碎，钻速很低，甚至不进尺；

浓度过低，在端面上出露的金刚石太少，不能满足全断面切削孔底岩石，同时还造成单粒金刚石上的压强太大，出露的金刚石就过早地磨钝或崩刃、脱粒。

23.如何确定金刚石钻头上的金刚石粒度与出刃？

1、表镶钻头金刚石出刃原则：

（1）正常的泵压条件下岩粉能从钻头端面顺利通过；

（2）金刚石出刃在钻进时不易被折断；

（3）金刚石在胎体中包镶牢固。

出刃值取决于金刚石粒度和所钻岩石的物理力学性质。

一般，以不超过金刚石直径的25％一30％为宜。

软、粗粒岩石中，出刃值应较大；

硬岩及破碎岩层中，出刃值应较小。

2、孕镶钻头的金刚石出刃

孕镶钻头金刚石的出刃自锐的过程，设计金刚石出刃值的实质是设计好胎体的性能。

金刚石在胎体中的密度

金刚石在胎体中的密度是表镶钻头金刚石含量的表示方法，其含义为：

胎体表面单位面积金刚石的颗粒数。

其范围一般为16~41粒/cm2，根据金刚石颗粒大小和所钻地层适当调节。

大颗粒的、软地层的选用低密度，小颗粒的、硬地层的选用高密度。

24.几种常见金刚石钻头底唇面形状的特点是什么？

（一）表镶金刚石钻头的唇面形状

1、圆弧形唇面（圆弧直径≥胎体厚度）——规径处可布置较多的金刚石，保径效果好，适用于中硬和硬岩层；

2、多阶梯形唇面——多用于壁厚大的钻头，适用于中硬和硬岩层，有利于破岩和导向；

3、内锥形唇面——钻头内边刃保强；

适用于研磨性强、破碎的岩层。

4、外锥形唇面——钻头外边刃保强；

适用于较软、易碎地层，多用于双管和绳索取心钻头。

（二）孕镶金刚石钻头的唇面形状

孕镶金刚石钻头的唇面形状比较简单，多为平底形，在孔内磨合一段时间后便自然形成圆弧形。

如果坚硬、弱研磨性的岩石或钻头壁较厚，可把钻头唇面做成同心环槽、锯齿状或阶梯形，以形成较多的破岩自由面。

25.金刚石扩孔器在钻具中的作用？

1、修扩孔壁，保证钻孔直径符合要求；

2、保持孔内钻具的稳定性，使钻具在高转速回转条件下保持良好的动平衡状态；

3、延长钻头寿命。

减少新钻头下孔的扩孔量，防止钻头早期磨损。

26.简述钻探用金刚石的类型与特性、粒度和品级

钻探用金刚石按成因分为天然的、人造的两大类。

人造金刚石包括单晶、聚晶和金刚石复合片等。

金刚石的特性

（1）金刚石为碳的结晶体，晶体结构为正四面体，碳原子之间以

共价键相连，结构非常稳定。

（2）典型的晶形有立方体、八面体和十二面体等。

（3）金刚石是世界上最硬、抗压强度最大、抗磨损能力最强的材料。

其莫氏硬度为10级，是石英的1000倍；

天然金刚石的抗压强度约为8600MPa，是钢的9倍。

耐磨性是钢的2000~5000倍。

（4）它的脆性较大，遇到冲击载荷会出现碎裂；

（5）热稳定性较差，在高温下遇氧便氧化并被转化为石墨（“石墨化”）。

因此，在金刚石工具的制造过程中，须隔氧，避免长时间受高温；

在使用中，须及时冷却切削刃。

钻探用金刚石的粒度和品级

（1）金刚石的品级：

主要根据晶形和强度来判定。

①完整晶体。

晶形好、强度高、耐冲击，是理想的切磨耗材。

②等积形。

晶体长轴与短轴之比不超过1.5﹕1的称为等积形。

强度较高，但形状尚好，在钻探中的应用占有一定比例。

③非等积形。

晶体长轴与短轴之比超过1.5﹕1者为非等积形。

质量差，形状不好，强度很低，在钻探中不宜采用。

④连晶。

共晶面或晶棱、非完整晶体的连生体。

将连晶破碎为单晶，经整形、分选，选用质量较好的金刚石。

⑤聚晶体。

许多小的晶体无规则地聚合丛生称为聚晶体。

质量差，强度很低，钻探中不能采用。

通用的计量单位是克拉（carat）。

钻探用金刚石常用一克拉（0.2g）多少粒或过筛网目数（每平方英寸的网格数）来衡量。

钻探用的金刚石粒度：

粗粒——5～20粒/克拉；

中粒——20～40粒/克拉；

细粒——40～100粒/克拉；

粉粒——100～400粒/克拉。

27.金刚石钻头有哪二种类型，其水口水槽设置为什么存在差异？

表镶钻头的水口与水槽

表镶钻头的主水路是唇面与孔底之间的间隙，强制冲洗液从主水路通过，有效地冷却唇面金刚石和及时排除孔底岩粉，唇面上的水口和水槽的数目不能太多由于表镶钻头的金刚石粒径与布排与孕镶钻头不同，其水口与水槽也有所不同。

孕镶钻头的水口与水槽

孕镶金刚石钻头的金刚石出刃非常小，它的主水路不是钻头唇面与孔底的间隙，而是水口。

在钻头唇面与孔底岩石之间只存在漫流（或湿润）区，用于冷却和排粉的水流主要通过水口和水槽。

因此，孕镶钻头往往设计成多水口、小水口，这样对防止烧钻有利。

28.试述钢粒钻进的基本原理与特点。

钢粒钻进的基本原理

岩心管的下端接有钢粒钻头（钻头钢体），钻